解决偏心轮渗氮后出现纵向裂纹问题

2016-04-11侯广库沈阳黎明航空发动机集团有限责任公司辽宁沈阳110043

中国新技术新产品 2016年2期

侯广库（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁　沈阳　110043）

解决偏心轮渗氮后出现纵向裂纹问题

侯广库
（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁沈阳110043）

摘要：本文研究了1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN钢调质处理、渗氮过程控制以及优化渗氮工艺参数。通过对国产材料1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN加工的偏心轮进行渗氮工艺试验，解决偏心轮渗氮后零件出现纵向裂纹问题，同时确定偏心轮最佳工艺参数。

关键词：1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN钢；调质处理；渗氮；纵向裂纹

发动机许多结构件在工作中承受着重复的冲击载荷作用，如飞机起落架钎杆、自动武器的闭锁、退壳机构中的承力件等，部分密封零件的设计和加工过程避免不了出现一些尖边的情况，其渗氮后续加工常出现剥落、裂纹、磨削裂纹等现象，零件使用时易出现裂纹及脆性断裂等问题，如发动机活塞杆、封严衬套等。渗碳、渗氮是改善材料表面性能的有效方法，渗氮处理是强化材料常用的方法之一。1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN 钢是近年来常用的俄料ЗП866国产化马氏体不锈钢材料，主要用于发动机结构件的制造，如偏心轮、销轴、球头等零件，主要的热处理工艺有调质、渗氮热处理。在实际工程应用中其工作环境比较恶劣。然而有关渗氮的工艺对渗氮层组织、表面硬度、裂纹等性能方面的研究少见，因此，研究渗氮工艺参数对提高零部件的合格率、解决零件渗氮后的裂纹以及零件后续机械加工及延长使用寿命有重大的意义。

1 试验用料、试验方法及试验设备

1.1 试验用料

1.1.1 偏心轮，40件，国产宝钢1Cr16 Co5Ni2Mo1WVNbN钢ф18棒材加工，炉号938-0635。

1.1.2 液氨：符合GB536中Ⅰ级品规定，含水量不大于0.2%。

1.1.3 氯化铵：GB658-88。

1.2 试验方法

1.2.1 调质热处理工艺

将ф18的1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN钢棒材进行调质处理，其工艺为：淬火1100℃±10℃，保温（90～110）min，油冷＋回火：670℃（工艺要求：650℃～700℃）。

1.2.2 工艺试验方案的制定

在气体渗氮过程中，主要的工艺参数为温度、时间和氨分解率，这几个因素对渗氮质量起着决定作用。

（1）温度的影响

随着渗氮温度的提高，金属中原子扩散的激活能增大，渗氮速度加快，表层氮浓度低，可能导致渗氮层硬度不足；渗氮温度过低，氮原子扩散慢，零件表层氮浓度高，氮化表面白层将增厚，脆性增大。

（2）时间的影响

由于该钢中Cr、Ni等元素含量较高，而这些元素均强烈降低氮原子在钢中的扩散系数，因此，必须通过试验确定深度和渗氮时间的关系。

（3）氨分解率的影响

氨分解率主要取决渗氮温度，在一定的渗氮温度下，氨分解率过低，零件表面含氮量太高，渗氮层脆性大，易形成网状、脉状或鱼骨状氮化物；氨分解率过高，零件表面含氮量太低，渗氮层深度浅，化合物层不致密，表面硬度低。

针对此材料采用以下三种试验方案对偏心轮进行渗氮处理，方案1随炉通氨气冷却520℃出炉，随箱通氨气冷却150℃以下拆包，35h～40h。方案2随炉通氨气冷却520℃出炉，随箱通氨气冷却150℃以下拆包，30h～35h。方案3随箱通氨气冷却150℃以下拆包，30h～35h。

1.3 试验设备、仪器

高温箱式炉Π-122；中温箱式炉H-75；井式气体渗氮炉ΠH-32；洛氏硬度机；光学金相显微镜等。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

表1列出了不同渗氮保温时间及冷却方式的试验结果。

2.2 试验分析

2.2.1 工艺参数选择

按方案1、2对零件进行渗氮处理后，渗氮层深度上没有显著的增加，渗氮表面硬度明显降低。

2.2.2 裂纹产生分析

（1）氨分解率影响

1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN钢中的合金元素对氮原子的亲和力很强，在过低的氨分解率气氛中，即高氮势气氛中，活性氮原子很快富集于工件表面，在没有充分向工件内部扩散的情况下，极易形成ξ相和ε相脆性层组织，即白层。当氮浓度大于11.4%，温度低于500℃则会产生ξ相，白层中一旦出现ξ相，则渗层脆性很高。

（2）零件结构影响

偏心轮零件小端面留有加工用的顶针孔，由于零件偏心，在零件顶针孔的一侧存在尖边和尖角，并且零件小端杆部预留8mm的切断加工余量，渗氮前对非渗氮表面进行镀铜保护，小端面的顶针孔及杆部预留的8mm区域未进行镀铜保护，渗氮过程中氮原子向尖角处堆积，使其脆性增大。

（3）冷却速度的影响

工件经渗氮处理后缓慢冷却到室温，由于含氮量由表及里逐渐减少，依次出现：ε-ε＋γ’-γ’-γ’＋α-α相。γ相是氮在γ-Fe中的间隙固溶体（含氮奥氏体），面心立方晶格，温度高于590℃才存在，温度缓慢下降通过590℃时，发生共析转变：γ-γ’＋α，若在γ相区快速冷却（淬火）则得到含氮的马氏体。1Cr16Co5Ni2Mo1WVNbN钢渗氮温度为630℃，由于偏心轮零件的结构影响，尖边和尖角处的氮浓度较高，零件随箱通氨气冷却过程中，其尖边和尖角处的冷却速度达到了其临界冷速，使其得到含氮的马氏体，由于该处的组织应力很大，超过了材料的抗拉强度，使其沿纵向产生裂纹。